Скачать статью

>>> В современном мире, где энергетическая эффективность и экологическая безопасность играют ключевую роль, криогенные технологии занимают особое место. Одним из наиболее эффективных решений для транспортировки и хранения сжиженных криогенных газов являются трубопроводы и клапаны с экранно-вакуумной изоляцией (ЭВИ). Эти системы обеспечивают минимальные потери энергии, высокую надежность и долговечность, что делает их незаменимыми в различных отраслях промышленности.

Изображение сгенерировано ИИ

Чтобы отличать рабочие среды от традиционных хладагентов, криогенными принято считать такие жидкости, температура кипения которых при атмосферном давлении не превышает 120 K (−153 °C). Это логичная разделительная линия, поскольку температуры кипения так называемых постоянных газов (таких как гелий, водород, неон, азот, кислород) ниже 120 K, в то время как температура кипения фреонов и углеводородных хладагентов выше 120 K. Сравнительные характеристики криогенных жидкостей приведены в таблице ниже.

Жидкость	Температура кипения (K)	Температура кипения (°C)	Коэффициент сжатия при сжижении
Гелий-3	3.19	-269.96	473
Гелий-4	4.21	-268.94	700
Водород	20.27	-252.88	788
Неон	27.09	-246.06	1340
Азот	77.09	-196.06	645
Воздух	78.8	-194.35	672
Фтор	85.24	-187.91	887
Аргон	87.24	-185.91	784
Кислород	90.18	-182.97	798
Метан	111.7	-161.45	589

Таблица №1. Температура кипения криогенных жидкостей и коэффициент сжатия при сжижении

Немного истории

История сжижения газов началась с экспериментов по охлаждению газов до жидкого состояния. Одним из первых значимых шагов в этой области стало получение жидких кислорода и азота. В 1877 году французский физик Луи-Поль Кайете (рис.1) впервые успешно получил жидкий кислород, используя метод быстрого охлаждения газа. Это открытие стало важным шагом в понимании свойств газов и их перехода в жидкое состояние.

Рис. 1. Луи-Поль Кайете

В 1895 году немецкий химик Карл фон Линде (рис. 2) разработал промышленный процесс получения жидкого воздуха, который включал использование цикла компрессии и расширения. Этот метод позволил производить жидкий кислород и азот в больших масштабах, что стало основой для дальнейшего развития технологий сжижения газов.

Рис. 2. Карл фон Линде

В то же время британский ученый Джеймс Дьюар (рис. 3) изобрел "сосуд Дьюара" (термос), который стал первым опытом применения вакуума для целей теплоизоляции и оказался чрезвычайно важным и практически полезным инструментом для хранения и транспортировки сжиженных газов. Сосуд Дьюара позволял минимизировать потери холода при хранении и транспортировке жидких газов, что значительно улучшило эффективность процессов сжижения и использования этих газов в различных областях.

Рис. 3. Джеймс Дьюар

К концу XIX века интенсивно развивалась энергетика и химическая промышленность, и ученые начали обращать внимание на природный газ как на потенциал для создания новых источников энергии. Однако конкретная идея о сжижении природного газа начала формироваться лишь в 1940-х годах, когда его практическое применение стало более актуальным.

В 1941 году на Аляске было создано первое коммерческое предприятие по сжижению природного газа, что стало значительным шагом в истории сжиженных газов. Пионером в этой области считается инженер и изобретатель С. Б. Сейборн (рис. 4), который разработал технологию, позволяющую получать сжиженный природный газ в больших количествах. Эта технология включала в себя использование низкотемпературных холодильных установок, которые обеспечивали предварительное охлаждение природного газа и необходимую температуру для сжижения.

Рис. 4. С. Б. Сейборн

С течением времени технология производства и транспортировки сжиженных газов значительно эволюционировала. В 1964 году состоялся первый коммерческий экспорт сжиженного природного газа из Алжира в Великобританию, что открыло новую эру в мировой энергетике. В следующие десятилетия многие страны начали развивать свою инфраструктуру для сжиженного природного газа, что позволило снизить зависимость от традиционных энергоносителей и от магистральных трубопроводов природного газа.

На сегодняшний день сжиженные газы играют ключевую роль в глобальной энергетической экосистеме. Страны, обладающие большими запасами газа, такие как Катар, США и Россия, активно развивают экспортный потенциал. Они инвестируют в строительство терминалов для сжижения и регазификации (рис. 5), а также создают современные танкеры, способные безопасно транспортировать сжиженные газы по морям и океанам.

Рис. 5. Станция регазификации среднего давления. Процесс перекачивания СПГ из транспортного резервуара в стационарный с использованием криогенной центробежной насосной установки MV&F во взрывозащищенном исполнении

Современные технологии позволяют не только обеспечивать высокую эффективность производства, но и укрепить безопасность при использовании сжиженных газов. Разработка новых материалов и систем для танкеров и терминалов помогает минимизировать риски, связанные с транспортировкой. Одним из таких решений стало использование экранно-вакуумной изоляции (ЭВИ).

Принципы работы трубопроводов с ЭВИ

Трубопроводы с ЭВИ состоят из двух основных компонентов (внутренней трубы, по которой транспортируется сжиженный газ, и внешней трубы), между которыми создается глубокий вакуум.

Вакуум выступает в роли теплоизолирующего слоя, предотвращающего передачу тепла от внешней среды к сжиженному газу за счет молекулярной теплопроводности. Внутри вакуумного пространства располагаются несколько отражающих экранов, сделанных из материалов с низким коэффициентом излучения, таких как алюминиевая фольга или полимерная металлизированная пленка. Эти экраны эффективно отражают тепловое излучение, предотвращая его проникновение внутрь систем, в результате чего тепловое излучение уменьшается с каждым слоем. Между экранами прокладывается специальный нетканый теплоизоляционный материал. Чередование отражающих и теплоизоляционных слоев создает многослойную структуру, которая значительно увеличивает эффективность изоляции.

Компания «Мониторинг Вентиль и Фитинг» (MV&F) изготавливает большой ассортимент клапанов (рис. 6), жестких (рис. 7 и 13) и гибких трубопроводов (рис. 8 и 9) с экранно-вакуумной изоляцией для разнообразных рабочих сред: гелия, азота, аргона, природного газа и кислорода. При производстве оборудования для работы с кислородом неукоснительно соблюдаются предписанные меры предосторожности, включая процедуру подбора материалов и обезжиривания компонентов трубопроводов, что обеспечивает их безопасную эксплуатацию.

Рис. 6. Криогенные клапаны MV&F с ЭВИ

Рис. 7. Секции жесткого криогенного трубопровода MV&F. Подготовка к отгрузке
Рис. 8. Фрагмент трубопровода MV&F с ЭВИ, включающий жесткую и гибкие секции (выполнен по аксонометрии заказчика)

Преимущества трубопроводов и клапанов MV&F с ЭВИ

• Энергоэффективность: снижение теплопритоков минимизирует затраты на охлаждение и поддержание низких температур.
• Долговечность: правильно спроектированные и смонтированные трубопроводы с ЭВИ имеют долгий срок службы благодаря защите от внешних воздействий и коррозии.
• Безопасность: уменьшение риска конденсации влаги на поверхности трубопроводов предотвращает образование льда и других аварийных ситуаций.
• Гибкость в проектировании: возможность создания трубопроводов различных конфигураций и диаметров за счет сочетания жестких и гибких секций позволяет адаптировать трубопроводную систему под конкретные условия эксплуатации.

Рис. 9. Гибкий криогенный трубопровод (металлорукав) MV&F с ЭВИ

Применение клапанов и трубопроводов с ЭВИ

Трубопроводы и клапаны с ЭВИ находят применение в различных отраслях промышленности:

• Медицина: транспортировка жидкого кислорода и других криогенных жидкостей для медицинских учреждений и исследовательских лабораторий.
• Авиация и космонавтика: хранение и транспортировка жидкостного топлива, например, жидкого водорода и кислорода, а также защита космических аппаратов от экстремальных температур.
• Промышленное производство:процессы, требующие высокой степени охлаждения, к которым относится производство некоторых пластиков и ряд экзотермических химических реакций.
• Научные исследования: лаборатории и научные учреждения используют трубопроводы для доставки криогенных жидкостей для сверхпроводниковых магнитов и других научных устройств.
• Нанотехнологии: управление температурой при производстве наноматериалов требует использования ЭВИ для создания специализированного оборудования.
• Нефтегазовая отрасль: транспортировка жидких углеводородов, требующих специальных условий хранения.

Производственная компания МВиФ предлагает инновационные решения для различных отраслей промышленности и применяет современные технологии, производя различные типы продукции с использованием экранно-вакуумной изоляции: криогенные трубопроводы, криогенные клапаны, криостаты для технологических и научных задач, а также специализированное оборудование, проектируемое и изготавливаемое по техническому заданию заказчика, например, сепараторы с ЭВИ (рис. 10).

Рис. 10. Сепаратор фаз с ЭВИ

На предприятии применяются строгие методики контроля качества на каждом этапе сборки. Для контроля герметичности используется наиболее точный на сегодняшний день метод — масс-спектрометрический, так как абсолютно необходимым условием сохранения глубокого вакуума в изоляционной полости в течение долгого времени является полная герметичность всех соединений и сварных швов. Используются только высококачественные материалы, устойчивые к коррозии и низким температурам, что обеспечивает долговечность и надежность продукции.

Все оборудование после сборки в обязательном порядке проходит проверку перед отправкой заказчику. Цель — подтверждение высокого качества вакуумирования и герметичности вакуумной полости трубопровода. Вакуумная полость каждого изделия с ЭВИ оснащается:

• Портом откачки — предохранительным устройством (рис. 11);
• Адсорбционной секцией для поглощения следов влаги, кислорода и азота;
• Каталитическим геттером для поглощения микропримесей водорода, выделяющегося из материалов в процессе эксплуатации (рис. 12).

Рис. 11. Порты откачки — предохранительные устройства

Рис. 12. Каталитический поглотитель водорода — диоксид марганца палладированный (ДМП)

Для обеспечения безопасности и эффективности работ трубопроводы в ЭВИ могут быть укомплектованы системами мониторинга, которые отслеживают ключевые параметры, такие как температура, давление и утечки газа.

Компания MV&F специализируется на производстве как жестких криогенных трубопроводов, так и гибких криогенных металлорукавов. Применение гибких трубопроводов предоставляет значительные преимущества на всех этапах реализации проекта, начиная от проектирования и заканчивая монтажом. На этапе проектирования они снижают потребность в точном определении длины линии подачи рабочей среды, что уменьшает количество ошибок и затрат на материалы. В процессе монтажа гибкие трубопроводы значительно сокращают объем и стоимость работ, что позволяет ускорить реализацию проекта. Кроме того, возможность демонтажа и повторного использования гибких трубопроводов при изменении конфигурации или модернизации системы продлевает срок их службы и снижает затраты на модернизацию.

Рис. 13. Упаковка трубопроводов MV&F с ЭВИ

Соединения криогенных трубопроводов с экранно-вакуумной изоляцией играют ключевую роль в минимизации теплопотерь и обеспечении долговечности системы. Рассмотрим основные типы соединений, применяемые в таких системах:

• Сварные соединения. Сварные соединения обеспечивают постоянный герметичный стык. Они выполняются с обязательным контролем качества, так как разборка соединения без его повреждения невозможна. Поверхность сварных швов обрабатывается газонаполненными изоляционными покрытиями для минимизации теплопритоков.
• Байонетные соединения (рис. 14, 15, 16). Байонетные соединения позволяют быстро разъединять и соединять трубопроводы. Они используются в местах, предусмотренных для возможной модернизации или демонтажа системы. Благодаря встроенным уплотнителям байонетные соединения обеспечивают хорошие теплоизоляционные свойства и остаются стабильными при температурных изменениях.

Рис. 14. Схема байонетных соединений трубопроводов MV&F с ЭВИ по типу «мама-папа»

Рис. 15. Тип «мама»

Рис. 16. Тип «папа»

Трубопроводы и клапаны с экранно-вакуумной изоляцией (ЭВИ) представляют собой передовое решение для транспортировки и хранения криогенных газов. Преимущества в энергоэффективности, долговечности и адаптивности делают их неотъемлемой частью современных технологий. Правильный выбор материалов и технологий для проектирования этих систем способен существенно повысить эффективность любых производств и снизить затраты на транспортировку.

Производственная компания МВиФ является лидером в этой области. Мы всегда на шаг впереди. Наша команда инженеров и исследователей постоянно внедряет передовые технологии для достижения новых вершин в управлении низкими температурами. Мы — ваш надежный партнер в создании будущего, где сохранение Глубокого Холода — это искусство! Выберите MV&F — выберите контроль, надежность и инновации.

>>> АВТОР СТАТЬИ
Рыбалко Алексей, начальник отдела продаж ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг»